중성미자 역학 반영한 우주 구조 형성 기록적 시뮬레이션

현재의 우주 구조 형성 시뮬레이션은 우주가 태어날 때부터 존재해 온 중성미자라고 불리는 유령 같은 입자의 특성을 정확하게 재현하지 못한다.

일본의 한 연구팀이 이 문제를 해결하는 접근 방식을 고안했다.

이 달 Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis에 발표된 연구에서 쓰쿠바 대학, 교토 대학, 도쿄 대학의 연구원들은 이러한 우주 유물 중성미자(cosmic relic neutrinos)의 역학을 정확하게 따르는 시뮬레이션을 보고했다.

이 연구는 고성능 컴퓨팅 분야에서 뛰어난 업적을 인정하는 2021 ACM Gordon Bell Prize(awards.acm.org/bell)의 최종 후보로 선정됐다.

중성미자는 알려진 다른 모든 입자보다 훨씬 가볍지만 정확한 질량은 미스터리로 남아 있다. 이 질량을 측정하는 것은 과학자들이 입자 물리학의 표준 모델을 뛰어 넘는 이론을 개발하고 우주가 어떻게 진화했는지에 대한 설명을 테스트하는 데 도움이 될 수 있다. 이 질량을 알아내는 한 가지 유망한 방법은 시뮬레이션을 사용하여 대규모 구조 형성에 대한 우주 유물 중성미자의 영향을 연구하고 그 결과를 관찰 결과와 비교하는 것이다. 그러나 이러한 시뮬레이션은 매우 정확해야 한다.

도쿄대학 Kavli 우주 물리학 및 수학 연구소의 수석 연구원인 Naoki Yoshida 박사는 “표준 시뮬레이션은 입자 기반 N체 방법으로 알려진 기술을 사용한다. 이 방법은 질량이 큰 중성미자와 관련하여 두 가지 주요 단점이 있다. 첫째, 시뮬레이션 결과는 샷 노이즈라는 무작위 변동에 민감하다. 둘째, 이러한 입자 기반 방법은 빠르게 움직이는 중성미자가 우주 구조의 성장을 억제하는 핵심 프로세스인 충돌 없는 감쇠를 정확하게 재현할 수 없다”고 설명했다.

이러한 문제를 피하기 위해 연구원들은 Vlasov 방정식으로 알려진 플라즈마 물리학의 중심 방정식을 직접 풀어서 거대 중성미자의 역학을 따랐다. 이전 연구와 달리 그들은 이 방정식을 완전한 6차원 위상 공간에서 풀었다. 즉, 공간 및 속도와 관련된 6차원이 모두 고려되었음을 의미한다. 팀은 이 Vlasov 시뮬레이션을 우주 물질의 주요 구성 요소인 차가운 암흑 물질의 입자 기반 N-body 시뮬레이션과 결합했다. 그들은 RIKEN 전산 과학 센터의 슈퍼컴퓨터 Fugaku에서 하이브리드 시뮬레이션을 수행했다.

연구의 주저자인 Koji Yoshikawa 교수는 “우리의 가장 큰 시뮬레이션은 400조 그리드에 대한 Vlasov 시뮬레이션과 3300억 body 계산을 일관되게 결합하며, 우주 중성미자의 복잡한 역학을 정확하게 재현한다”며 “게다가 우리 시뮬레이션의 솔루션 시간은 가장 큰 N-body 시뮬레이션보다 훨씬 짧고 성능은 Fugaku에서 최대 147,456개의 노드(7백만 CPU 코어)로 확장된다”고 말했다.

중성미자 질량을 결정하는 데 도움이 되는 것 외에도 연구자들은 예를 들어 정전기 및 자화 플라즈마 및 자체 중력 시스템과 관련된 현상을 연구하는 데 그들의 계획을 사용할 수 있다고 제안한다.